[發明專利]用于大口徑自適應變形鏡的音圈電機

在審

• 申請號: 201810384956.4
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108712055A
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: 左恒;郭世成;李國平
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所
• 主分類號: H02K41/035
• 分類號: H02K41/035;G02B26/06
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務所 32230
• 代理人: 栗仲平

用于大口徑自適應變形鏡的音圈電機，設有圓柱狀線圈，圓柱形線圈頂部與磁鐵之間形成極小的氣隙，在磁體與中心軸外部為軟鐵殼，該音圈電機采用動鐵式結構，特征是圓柱狀線圈安裝在底部軟鐵外殼中，圓柱狀線圈與鏡面隔離永磁體設置在與圓柱狀線圈軸向排列的位置上，且與天文望遠鏡的鏡面直接粘接固定。本發明縮小了音圈電機徑向尺寸和空間占用、消除了傳統短路故障隱患、減少了動子質量及運動慣量，克服了音圈電機線圈發熱對鏡面的影響，通過優化磁場設計，本發明具有很高的電機效率，能夠通過高頻小電流達到較大的推動力，本發明電磁力可達到1N以上，電磁力到達0.6N，電機效率達到0.45N/√W。能滿足大口徑自適應變形鏡的要求。

技術領域

本發明涉及一種用于大口徑自適應變形鏡的音圈電機。

背景技術

為了探索更深的宇宙，現代地基望遠鏡的口徑變得越來越大，為了減輕大氣湍流對成 像的影響，1953年海爾天文臺的胡瑞斯·拜勃庫克提出自適應光學的概念，通過在望遠鏡的 出瞳設置一個波前矯正裝置來矯正由于大氣擾動帶來的波前誤差，這個用于矯正波前的裝置 就是自適應變形鏡，自適應光學系統通過實時測量望遠鏡焦面上的波前變化，并通過自適應 變形鏡進行實時補償來消除大氣湍流的影響；上世紀90年代，一種使用望遠鏡的副鏡作為波 前校正裝置來校正大氣抖動的新型自適應光學系統首次被提出，由于這種方案直接使用望遠 鏡自身的光學元件作為波前校正機構，不引入額外的光學元件，相比傳統的自適應光學系統 有明顯的優勢，首先大大減少了反射或者透射面的數量，提高了望遠鏡的效率；其次這種自 適應副鏡系統的紅外散射很小，這對望遠鏡在紅外波段的的觀測十分重要；另外自適應副鏡 系統沒有額外的光學偏振，能明顯改善光學系統像質；而且大口徑的自適應副鏡能提供更大 的觀測視場，近年來隨著適合大視場的近地層自適應光學技術的發展，這種使用系統光學元 件作為自適應光學波前校正裝置的方法已經成為大口徑望遠鏡的自適應光學的一個重要發展 方向。

相比傳統的自適應光學系統，這種形式的自適應波前校正裝置使用望遠鏡的系統光學 元件作為波前校正裝置，自適應變形鏡口徑往往很大，達到將近一米，有的甚至口徑數米， 這就要求促動器的具有很大的校正行程；但同時校正頻率依然要由大氣抖動的Greenwood頻 率決定，所以這種自適應變形鏡既要求有很高的校正帶寬，又要有較大的校正行程。

音圈電機(voice coil)是基于安培力原理制造的一種新型直接驅動電機，它除了和直線 電機一樣可避免旋轉電機驅動中傳動環節存在的間隙等不足外，工作時配合高精度的位移傳 感器，在理論上具有無限分辨率、無滯后、高響應、高加速度、高速度、體積小、力特性好、 控制方便等優點，特別適用于要求自適應鏡面驅動這種大行程、高頻激勵、快速和高精度定 位運動。同時由于電機的定子和動子部分不直接接觸，拆卸十分方便，這也給變形鏡的后期 維護帶來了很大的優勢。

對于一臺8米級口徑的地基望遠鏡，在一般臺址視寧度及風速條件下，根據國外望遠 鏡的相關數據，可以計算得到促動器行程要求50微米左右，校正頻率在1kHz以下，促動器 之間的間距一般在30-50mm，校正力的大小在1N左右，所以電機外徑一般不大于30mm，并且在電機輸入小電流的情況下，要保證至少輸出0.6N的力，電機效率大于0.45。

音圈電機結構：不同的結構的音圈電機對應不同的使用場景，音圈電機從運動分為動 圈式與動鐵式，傳統的音圈電機結構如圖1a所示，有一個圓柱狀線圈1，圓柱中心桿與包圍 在中心桿周圍的永磁體2形成氣隙，在磁體與中心軸外部為軟鐵殼3，線圈在氣隙中沿圓柱 軸向往復運動。相比于傳統結構的音圈電機，還有一種集中通量結構的音圈電機，參見圖1b， 這種結構的音圈電機能夠使氣隙磁密等于甚至大于磁體2中的剩余量。在稀土元素氧化物磁 鐵2的軸向外側，設置有徑向的軟鐵盤5。在軟鐵殼3的內表面與圓柱芯的外表面之間形成 了環形的氣隙，圓柱狀線圈1在氣隙中沿軸向運動。